Наступного року буде запущено надпотужний космічний телескоп Джеймс Вебб. Як тільки він буде розгорнутий і займе позицію в точці 2 Лагранжа Земля-Сонце, він почне свою роботу. Одне з його завдань - дослідити атмосфери екзопланет і шукати біосигнатури.
Це може здаватися досить простим завданням. Просто скануйте атмосферу, поки не знайдете кисень, хоча насправді все набагато складніше. Насправді присутність кисню не завжди надійна
Кисень може здатися очевидною річчю, яку потрібно шукати в атмосфері планети при пошуку ознак життя, але це не так. Його наявність або відсутність не є надійним показником. Історія Землі чітко показує це.
Атмосфера сучасної Землі містить близько 21% кисню, і вчені знають, що велика частина його надходить від організмів в океанах планети. Але є заковика: як тільки ціанобактерії на стародавній Землі почали виробляти кисень в якості побічного продукту фотосинтезу, все ж було потрібно дуже багато часу, перш ніж атмосфера планети стала насиченою киснем - можливо, мільярд років.
Що, якби ми досліджували екзопланету, не виявили кисню, а потім рушили б далі, не розуміючи, що там було життя, на початку насичення киснем цього світу? Що, якби ми були на мільярд років раніше, а життя ще не наповнило киснем атмосферу екзопланети? Скелясті планети мають безліч поглиначів кисню, і біологічно вироблений кисень не буде вільним в атмосфері, поки ці поглиначі не стануть насиченими киснем.
Це те, що сталося на Землі, і те, що може статися в інших кам'янистих світах. На Землі через геологічну активність магма піднімається з мантії в кору. Велика частина матеріалу мантії, наприклад, заліза, зв'язується з атмосферним киснем, витягуючи його з атмосфери.
Це одна з причин, через яку вчені-планетологи зосереджуються на інших речах, таких як метан (CH4). У новій статті дослідники вивчили здатність метану сигналізувати про біологічну активність. Вони кажуть, що метан в атмосфері планети навряд чи виходить з вулканів і, швидше за все, має біологічне походження.
Виявити потенційні біосигнатури, такі як метан, в атмосферах далеких екзопланет непросто. Але як тільки буде виявлено щось на зразок метану, чекає ще більш важка робота. Його присутність необхідно досліджувати в контексті самої планети.
Дослідники біосигнатур не чекають свята запуску космічного телескопа Джеймс Вебб. Вони багато думали про виявлення біосигнатур за допомогою телескопа. Вчені припустили, що планетні атмосфери з великим вмістом метану і вуглекислого газу в нерівноважному стані можуть бути сильною біосигнатурою. У своїй статті автори зазначають, що "... мало досліджень вивчали можливість небіологічних CH4 і CO2 і пов'язаних контекстних підказок ". У даному випадку небіологічні означають вулкани.
Автори хотіли використовувати термодинамічну модель, щоб дослідити, чи може дегазація вулканічної магми на планетах земного типу призвести до потрапляння CH4 і CO2 в атмосферу. По суті, вони виявили, що вулкани навряд чи будуть виробляти таку ж кількість метану, як біологічні джерела. Це не неможливо, але практично неймовірно.
Багато в чому це тому, що водню «подобається» залишатися в магмі. H2O добре розчиняється в магмі, що обмежує кількість виділяється H і, отже, обмежує кількість CH4 в атмосфері планети. Інша причина полягає в тому, що для виділення газу CH4 потрібна низькотемпеолог на магма, тоді як більша частина земної магми має більш високу температуру.
Автори виявили, що в тих неймовірних випадках, коли вулканізм може виробляти велику кількість метану, він також виробляє вуглекислий газ. Стародавня архейська Земля була набагато більш вулканічно активною, ніж сучасна Земля. Під час архейського еона тепловий потік Землі був утричі більшим, ніж зараз.
Згідно з дослідженням, він міг виробити в 25 разів більше магми, ніж сучасна Земля, і набагато більше метану. Але та ж діяльність, яка виробляла весь цей метан, також виробила б набагато більше вуглекислого газу. Це, як зазначають автори, є виявлюваним ложноположильним результатом. Але якщо виявляється рясна кількість метану без супутньої кількості СО2, то це більш надійна біосигнатура.
Автори кажуть, що було б важко пояснити виявлення метану і вуглекислого газу без звернення до біологічних джерел, принаймні, для будь-яких планет, схожих на Землю. Вони також дійшли висновку, що невелика або нікчемна кількість окису вуглецю, виявлена в атмосфері, підсилює біосигнатуру CH4 + CO2, тому що "... життя легко споживає атмосферний CO, в той час як зменшення вулканічних газів, ймовірно, викликає накопичення CO в атмосфері планети ".
На закінчення дослідники попереджають, що вся їхня праця ґрунтується на тому, що ми знаємо про Землю та інші планети в нашій сонячній системі. Наскільки далеко ці знання можна поширити на тисячі різних екзопланет, неясно.
«До цих висновків слід ставитися з обережністю, тому що вони засновані на тому, що відомо про процеси, що відбуваються на Землі і в нашій сонячній системі, що може бути дуже мізерною вибіркою того, що в принципі можливо», - пишуть вони.